碳化钽

碳化钽是一类二元化合物，由钽和碳组成，实验式TaC_x，x 一般在 0.4 到1 之间。它们的硬度极大，脆，是耐火材料，具有金属的电导率。它是一种棕灰色粉末，通常通过烧结处理。

碳化钽
IUPAC名 Tantalum carbide
别名	碳化钽(IV)
识别
CAS号	12070-06-3  Y 12070-07-4（(TaC0.5)）  Y
SMILES	[Ta+]#[C-]
InChI	1S/C.Ta/q-1;+1
InChIKey	DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性质
化学式	TaC
摩尔质量	192.96 g/mol g·mol⁻¹
外观	棕灰色粉末
氣味	无臭
密度	14.3–14.65 g/cm3 (TaC) 15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔点	3,850—3,880 °C（4,120—4,150 K）(TaC)[2] 3,327 °C（6,021 °F；3,600 K） (TaC0.5)[1]
沸点	4,780—5,470 °C（5,050—5,740 K）(TaC)[1][2]
溶解性（水）	不溶
溶解性	可溶于HF-HNO3的混合物[1]
熱導率	21 W/m·K
热力学
ΔfHm⦵298K	−144.1 kJ/mol
S⦵298K	42.29 J/mol·K
热容	36.71 J/mol·K[3]
相关物质
相关化学品	一氮化锆 碳化铌 碳化锆
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

作为重要的金属陶瓷（英语：cermet）材料，碳化钽在商业车刀中用于切削应用，有时会添加到碳化钨合金中。^[4]

取决于纯度和测量条件，碳化钽的熔点在约3880℃达到峰值。这个值是二元化合物里最高的。^[5][6]只有碳化钽铪的熔点可能略高，大约为3942°C，^[7]而碳化铪的熔点与TaC相当。

制备

TaC_x粉末是由钽和石墨的粉末在真空或惰性气体(氩)里使用炉子或电弧熔化装置在约2000℃的温度下进行加热。^[8][9]钽和石墨的量决定了x的值。另一种技术是在真空或氢气气氛中，在1500–1700℃的温度下通过碳进行五氧化二钽的还原。该方法于1876年用于获得碳化钽，^[10]但它无法控制产物的化学计量。^[6]自蔓延高温合成（英语：self-propagating high-temperature synthesis）法也是已报道的直接从单质制备TaC的方法之一。^[11]

晶体结构

β-TaC_0.5 的晶体结构，蓝色的是钽原子

当 x = 0.7–1.0 时，TaC_x有着立方结构 (岩盐的结构) 。^[12]碳化钽的晶格常数会随着x增长而增长。^[13] TaC_0.5有两种结构。较稳定的具有反碘化镉型三角结构，该结构在加热至约2000℃时转变为六方晶格，对碳原子来说已经没有规律了。^[8]

实验式	对称性	种类	皮尔逊符号	空间群	No	Z	ρ (g/cm3)	a (nm)	c (nm)
TaC	立方	NaCl[13]	cF8	Fm3m	225	4	14.6	0.4427
TaC0.75	三方[14]		hR24	R3m	166	12	15.01	0.3116	3
TaC0.5	三方[15]	反-CdI2	hP3	P3m1	164	1	15.08	0.3103	0.4938
TaC0.5	六方[9]		hP4	P63/mmc	194	2	15.03	0.3105	0.4935

在这个表中，Z是每单位的配位数，ρ是由晶格常数计算而来的密度。

性质

碳化钽中钽和碳原子之间的键是离子键，金属键和共价键混合，是很复杂的键，并且由于强共价成分，这些碳化物是非常坚硬且易碎的材料。举个例子，TaC的显微硬度为1600-2000 kg/mm^{2 [16]}（〜9 Mohs）和285 GPa的弹性模量，而钽的相应值为110 kg/mm²和186 GPa。碳化钽的硬度，屈服和剪切应力随TaC_x中碳含量的增加而增加。^[17]

碳化钽无论是什么大小和温度都具有金属导电性。TaC 可以在10.35 K以下转变为超导体。^[13]

TaC_x的磁性能从x≤0.9的反磁性变为“ x”≥0.9的顺磁性。尽管HfC_x具有与TaC_x相同的晶体结构，但仍观察到了相反的行为（磁性随x的增加而减少）。^[18]

应用

碳化钽因其在熔点、硬度、弹性模量、导热性、热冲击方面的优异物理性能而被广泛用作超高温陶瓷（UHTC）的烧结添加剂或高熵合金（HEA）的陶瓷增强材料抵抗力和化学稳定性，这使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦（英语：Tantalcarbide）是碳化钽的天然存在形式。它属立方晶系，并且非常稀有。^[19]

参见

• 碳化铪